第9章 核反应.ppt

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1、第九章第九章第九章第九章 核反应核反应核反应核反应1三、三、反应能反应能Q一、一、几个著名的核反应几个著名的核反应四、核反应截面四、核反应截面五、五、核反应的机制核反应的机制 9.1 9.1 几个著名的核反应几个著名的核反应几个著名的核反应几个著名的核反应二、守恒定律二、守恒定律2一、一、一、一、几个著名的核反应几个著名的核反应几个著名的核反应几个著名的核反应1.1.第一个人工核反应是第一个人工核反应是19191919年由卢瑟福完成的。年由卢瑟福完成的。这是人类历史上第一次人工实现这是人类历史上第一次人工实现“点金术点金术”：使一个元素变成了另一个元素。使一个元素变成了另一个元素。放射性核衰变

2、是不稳定核的自发转变，核反应放射性核衰变是不稳定核的自发转变，核反应是原子核在外界作用下的转变过程。研究核反应是原子核在外界作用下的转变过程。研究核反应的重要目的之一是获取核能（裂变能，聚变能）。的重要目的之一是获取核能（裂变能，聚变能）。32.2.2.2.第一个在加速器上实现的核反应第一个在加速器上实现的核反应第一个在加速器上实现的核反应第一个在加速器上实现的核反应 1932年，英国考克拉夫年，英国考克拉夫(J.D.Cockcroft)和瓦尔和瓦尔顿顿(E.T.S.Walton)，把质子加速到，把质子加速到500千电子千电子伏，实现如下核反应：伏，实现如下核反应：释放的释放的 粒子每一个具有

3、粒子每一个具有8.9MeV动能动能;因此因此,输输入能量为入能量为0.5MeV,输出的能量为输出的能量为17.8MeV。这这是释放核能的一个例子。是释放核能的一个例子。43.3.3.产生第一个人工放射性核素的反应产生第一个人工放射性核素的反应产生第一个人工放射性核素的反应产生第一个人工放射性核素的反应产生第一个人工放射性核素的反应产生第一个人工放射性核素的反应l1934年，法国约里奥年，法国约里奥 居里夫妇用下列居里夫妇用下列反应反应产生了第一个人工放射性核素：产生了第一个人工放射性核素：产物产物30P是是+放射性核素，半衰期为放射性核素，半衰期为2.6分分5光子打击氘核，使氘核分解为质子和中

4、子光子打击氘核，使氘核分解为质子和中子6角动量守恒、角动量守恒、9.2 9.2 核反应的守恒定律核反应的守恒定律核反应的守恒定律核反应的守恒定律质量数守恒、质量数守恒、电荷数守恒、电荷数守恒、总能量：静止能量和动能之和总能量：静止能量和动能之和动量守恒、动量守恒、宇称守恒、宇称守恒、总角动量总角动量=粒子的角动量矢量粒子的角动量矢量+原子核角动量矢量原子核角动量矢量+两者相对运动轨道角动量矢量两者相对运动轨道角动量矢量体系宇称体系宇称=粒子宇称粒子宇称原子核宇称原子核宇称 两者相对运动的轨道宇称两者相对运动的轨道宇称能量守恒、能量守恒、统计性、同位旋等统计性、同位旋等7二体反应即反应前后都只有

5、两个粒子的反应二体反应即反应前后都只有两个粒子的反应 a +X b+Y,或或1、反应中的能量守恒：反应中的能量守恒：9.3 9.3 核反应中的能量核反应中的能量核反应中的能量核反应中的能量82、反应能反应能Q：即核反应过程中放出或吸收的能量：即核反应过程中放出或吸收的能量 它等于反应前后体系的动能之差。它等于反应前后体系的动能之差。则则Q0,为放能反应；为放能反应；当：当：当：当：当：当：则则Q=0,为弹性散射。为弹性散射。则则Q0,为吸能反应；为吸能反应；9例例例例：由粒子的静止质量对由粒子的静止质量对由粒子的静止质量对由粒子的静止质量对 反应，计反应，计反应，计反应，计算反应能。算反应能。

6、算反应能。算反应能。18.006958 18.005677Q=-0.00128u 931.5MeV/u=-1.19MeV-0.001281-18.006958103 3 3Q Q Q方程方程方程方程方程方程Q=+-动量守恒：动量守恒：114 4 4反应阈能反应阈能反应阈能反应阈能反应阈能反应阈能 能能使使核核反反应应得得以以实实现现的的入入射射粒粒子子所所必必须须具具有有的的最小动能，即只有当时核反应才能发生。最小动能，即只有当时核反应才能发生。12推导：推导：L系与系与C系系L系中系中系统动能系统动能OCC系中系中Ox13C系中系中系统动能系统动能OOCx14 阈阈能能：L系系中中能能够够使

7、使核核反反应应得得以以实实现现的的入入射射粒粒子子所所必须具有的最小动能。必须具有的最小动能。在在C系系中中，反反应应前前后后体体系系的的动动能能均均为为0，所所以以只只要要求求反反应应前前体体系系的的最最低低动动能能等等于于反反应应能能 Q，核核反反应应即可发生。即可发生。15l例如例如:求要使反应求要使反应 成为可能成为可能粒子的入射能量至少应为多少？粒子的入射能量至少应为多少？=1.19(4+14)/14=1.53(MeV)16 9.4 9.4 核反应截面核反应截面核反应截面核反应截面1、反反应应截截面面：假假定定入入射射粒粒子子束束强强度度为为I，打打到到一一个个靶靶上上的的横横截截面

8、面是是S，即即单单位位时时间间达达到到靶靶上上的的粒粒子子数数为为n=IS，设设靶靶单单位位体体积积中中有有N个个原原子子核核，靶靶的的厚厚度度为为h，h比比较较小小，以以至至前前后后各各原原子子核核不不会会互互相相遮遮蔽蔽，这这样样入射粒子将看到全部入射粒子将看到全部NSh个原子核。个原子核。设设想想每每个个原原子子核核提提供供一一个个截截面面，凡凡是是落落入入这这个个范范围围的的入入射射粒粒子子就就和和靶靶核核发发生生反反应应，单单位位时时间间共共发发生了生了n个反应，则显然反应几率为：个反应，则显然反应几率为：17 反应截面实质上是入射粒子和靶上一个靶反应截面实质上是入射粒子和靶上一个靶

9、核发生反应的核发生反应的几率几率。单位单位巴巴 （b b）、毫巴、毫巴 （mbmb）1819注意：注意：反应截面虽然量纲是面积，但它和原子核的反应截面虽然量纲是面积，但它和原子核的 几何截面是完全不同的两个概念，因此反应截几何截面是完全不同的两个概念，因此反应截 面既可能大于几何截面面既可能大于几何截面,也可能小于几何截面。也可能小于几何截面。3、积分截面：积分截面：2、微分截面：微分截面：20五、五、五、五、核反应的机制核反应的机制核反应的机制核反应的机制1、库仑散射和库仑激发库仑散射和库仑激发 入射粒子在靶核附近受库仑场作用而向一方向入射粒子在靶核附近受库仑场作用而向一方向射出；或粒子的库

10、仑场使靶核激发。射出；或粒子的库仑场使靶核激发。2、核势散射核势散射 入射粒子达到靶核的核力作用距离之内，而发入射粒子达到靶核的核力作用距离之内，而发生弹性散射。生弹性散射。3、表面散射表面散射 入射粒子同靶核表面的一个或几个核子的剧烈入射粒子同靶核表面的一个或几个核子的剧烈作用，而发生非弹性散射，靶核被激发。作用，而发生非弹性散射，靶核被激发。214、表面嬗变表面嬗变 入射粒子对靶核表面核子起作用，把一个或几入射粒子对靶核表面核子起作用，把一个或几个核子冲击出来，粒子被吸收或被散射。个核子冲击出来，粒子被吸收或被散射。5、削裂反应和掇拾反应削裂反应和掇拾反应 入射核的一个或几个核子被靶核俘获

11、，入射核入射核的一个或几个核子被靶核俘获，入射核继续前进继续前进削裂反应；削裂反应；入射粒子擦过靶核时，从核那里掇拾一个或几入射粒子擦过靶核时，从核那里掇拾一个或几个核子个核子掇拾反应。掇拾反应。6、形成复核形成复核 形成复核、激发态的复核再衰变形成复核、激发态的复核再衰变22散裂反应、高能核反应等。散裂反应、高能核反应等。六、六、六、六、核共振核共振核共振核共振1、中子反应截面随入射粒子能量的变化中子反应截面随入射粒子能量的变化核共振：核共振：当入射粒子当入射粒子的能量为某些特殊值的能量为某些特殊值时，反应截面突然增时，反应截面突然增大的现象。大的现象。23实质是：实质是：入射粒子在质心系中

12、的动能与它与靶核的入射粒子在质心系中的动能与它与靶核的结合能之和恰好等于复合核的一个能级时，复核特结合能之和恰好等于复合核的一个能级时，复核特别容易形成，核反应的几率大，即反应截面就大。别容易形成，核反应的几率大，即反应截面就大。从共振曲线上共振峰的位置可以确定复核的从共振曲线上共振峰的位置可以确定复核的部分能级部分能级 ：2、质子反应截面随入射粒子能量的变化质子反应截面随入射粒子能量的变化 是入射粒子与靶核的结合能是入射粒子与靶核的结合能24 9 9.5 5 原子核裂变原子核裂变原子核裂变原子核裂变 原子核裂变是一个重原子核分裂成两个质量原子核裂变是一个重原子核分裂成两个质量相差不远的碎块的

13、现象。相差不远的碎块的现象。一、裂变过程一、裂变过程一、裂变过程一、裂变过程A=236，EB=7.6MeV；A=118，EB=8.5MeV一个铀核：一个铀核：一克铀：一克铀：这相当于这相当于2.5t煤完全燃烧时放出的能量。煤完全燃烧时放出的能量。2526二、裂变机制二、裂变机制二、裂变机制二、裂变机制二、裂变机制二、裂变机制液滴模型液滴模型液滴模型液滴模型液滴模型液滴模型在裂变前，原子核处于能量最低的基态，呈球形。在裂变前，原子核处于能量最低的基态，呈球形。当中子轰击重核时，重核吸收中子形成复合核，当中子轰击重核时，重核吸收中子形成复合核，能量增加，核子振荡加剧，由球形变成椭球形。能量增加，核

14、子振荡加剧，由球形变成椭球形。27当中子轰击重核时，重核吸收中子形成复合核，当中子轰击重核时，重核吸收中子形成复合核，能量增加，核子振荡加剧，由球形变成椭球形。能量增加，核子振荡加剧，由球形变成椭球形。当哑铃形的两端之间的库仑斥力大于中间收缩当哑铃形的两端之间的库仑斥力大于中间收缩部分核子间总的核力时，形变不能恢复，原子部分核子间总的核力时，形变不能恢复，原子核分裂成两块，放出中子，同时释放能量。核分裂成两块，放出中子，同时释放能量。裂变不仅释放大量能量而且伴随中子的裂变不仅释放大量能量而且伴随中子的发射形成链式反应发射形成链式反应28 1、原子核的稳定性原子核的稳定性 对球形核其稳定条件为：

15、对球形核其稳定条件为：球形时的结合能球形时的结合能 1MeV的快中子引起裂变，且几率小，的快中子引起裂变，且几率小，热中子易被热中子易被 238U吸收，而不使吸收，而不使235U分裂。分裂。44、采取措施采取措施采取措施采取措施38 9.69.69.6 原子核聚变原子核聚变原子核聚变原子核聚变原子核聚变原子核聚变核聚变：几个轻核聚合成较重核的过程核聚变：几个轻核聚合成较重核的过程重核重核 中等质量核中等质量核放出能量放出能量轻核轻核 中等质量核中等质量核放出能量放出能量1 1、聚变能量估算、聚变能量估算、聚变能量估算、聚变能量估算（1）（2）（3）（4）39四个反应共用了四个反应共用了6个氘核

16、，释放出的能量个氘核，释放出的能量15MeV。平平均每个核子放出均每个核子放出3.6MeV的能量，比重核裂变平均每的能量，比重核裂变平均每个核子放出个核子放出0.86MeV的能量要大的能量要大4倍。倍。聚变能约为裂变能的聚变能约为裂变能的四四倍倍402 2、实现聚变反应的困难实现聚变反应的困难实现聚变反应的困难实现聚变反应的困难（1）两氘核都带正电，为使它们相结合发生聚两氘核都带正电，为使它们相结合发生聚 变必须具有足够的动能，以克服库仑斥能。变必须具有足够的动能，以克服库仑斥能。（2）用加速器加速用加速器加速2H核使之动能等于核使之动能等于0.1MeV是是较容易的，但是当入射较容易的，但是当

17、入射2H与靶相撞时大部与靶相撞时大部 分能分能量将损失掉。量将损失掉。41（2）用加速器加速用加速器加速2H核使之动能等于核使之动能等于0.1MeV是是较容易的，但是当入射较容易的，但是当入射2H与靶相撞时大部与靶相撞时大部 分能分能量将损失掉。量将损失掉。（3）对撞是可行的吗？对撞时还有库仑散射截对撞是可行的吗？对撞时还有库仑散射截面为面为10-23cm2比聚变截面大比聚变截面大4倍，所以发生聚变倍，所以发生聚变的几率也很小的几率也很小,约约1/50000。2H与靶中电子相碰撞损失能量的截面：与靶中电子相碰撞损失能量的截面：10-20cm22H与靶中与靶中2H碰撞发生聚变的反应截面：碰撞发生

18、聚变的反应截面：10-26cm2两者之比是百万分之一。两者之比是百万分之一。42加热加热2H的温度：的温度：T1010K 把把 2H加热到高温使它们处于等离子体状态，在加热到高温使它们处于等离子体状态，在高温下大量高温下大量2H作无规则热运动，相互碰撞，发生大作无规则热运动，相互碰撞，发生大量聚变反应。量聚变反应。等离子体：高温下具有大量正离子和等量电子的等离子体：高温下具有大量正离子和等量电子的 集合体。集合体。（4 4）唯一办法是利用等离子体聚变唯一办法是利用等离子体聚变唯一办法是利用等离子体聚变唯一办法是利用等离子体聚变热核反应热核反应热核反应热核反应43 在这样高的温度下，气体早已离化

19、成原子在这样高的温度下，气体早已离化成原子在这样高的温度下，气体早已离化成原子在这样高的温度下，气体早已离化成原子核和电子的集合体，即等离子体。如何获得并核和电子的集合体，即等离子体。如何获得并核和电子的集合体，即等离子体。如何获得并核和电子的集合体，即等离子体。如何获得并维持具有一定密度的高温维持具有一定密度的高温维持具有一定密度的高温维持具有一定密度的高温2 2H H等离子体是利用聚等离子体是利用聚等离子体是利用聚等离子体是利用聚变能的根本问题。我们需要有个变能的根本问题。我们需要有个变能的根本问题。我们需要有个变能的根本问题。我们需要有个“容器容器容器容器”，它，它，它，它不仅能忍耐不仅

20、能忍耐不仅能忍耐不仅能忍耐10108 8K K的高温，而且不能导热，不能的高温，而且不能导热，不能的高温，而且不能导热，不能的高温，而且不能导热，不能因等离子体与容器碰撞而降温，目前世界上还因等离子体与容器碰撞而降温，目前世界上还因等离子体与容器碰撞而降温，目前世界上还因等离子体与容器碰撞而降温，目前世界上还没有这样的容器。没有这样的容器。没有这样的容器。没有这样的容器。当前各国都在进行可控聚变装置的研究而当前各国都在进行可控聚变装置的研究而且有了很大的进展。且有了很大的进展。44氢弹氢弹氢弹氢弹 氢弹用氘和氚等轻核聚变反应氢弹用氘和氚等轻核聚变反应 用原子弹激发热核反应用原子弹激发热核反应

21、氢弹中的聚变反应是不可控制氢弹中的聚变反应是不可控制45l l劳逊判据劳逊判据劳逊判据劳逊判据 等离子态的物质等离子态的物质是很难被稳定地约束起来的，但是很难被稳定地约束起来的，但是为了热核聚变的反应能够有效地进行，对等离子体是为了热核聚变的反应能够有效地进行，对等离子体的密度和被约束的时间有一定的要求。的密度和被约束的时间有一定的要求。等离子体约束等离子体约束c.c.惯性约束聚变材料自身惯性惯性约束聚变材料自身惯性a.引力约束用引力引力约束用引力b.b.磁约束磁约束利用磁场约束等离子体利用磁场约束等离子体或三乘积或三乘积464748中中国国环环流流器器二二号号A49核物理学家王淦昌核物理学家

22、王淦昌501986年建成年建成TW级高功率钕玻璃激光系统级高功率钕玻璃激光系统 神光神光-I-I 装置，双束，装置，双束，10101212瓦瓦/束束51神光神光-原型装置光路图原型装置光路图(2003年建成，年建成，8束束/300mm,10KJ/3w/1w/1ns )52神光-激光装置靶室光路53 激光核聚变激光核聚变 这是激光这是激光NOVA靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。54551、镭（、镭（）和氡（）和氡（）的同位素质量分别）的同位素质量分别为为M(Ra)=226.09

23、574u和和M（Rn）=222.08663u。试。试问问 是否能放出是否能放出 粒子，若能求出衰变能和粒子，若能求出衰变能和粒粒子的动能。子的动能。M（）=4.003873u。2、核从基态进行衰变，并伴随发射两组核从基态进行衰变，并伴随发射两组粒粒子，其中一组子，其中一组粒子的能量为粒子的能量为5.30MeV另一组另一组粒子粒子的能量为的能量为4.50MeV，试计算各情形，试计算各情形210Po核的核的衰变衰变能和子核由激发态回到基态时放出的能量。能和子核由激发态回到基态时放出的能量。563、试求中子分别与、试求中子分别与 ，核作用时发生的核作用时发生的（n,2n）反应的阈能）反应的阈能Eth1，Eth2并解释两个阈并解释两个阈能值的巨大差异。已知能值的巨大差异。已知 ，和和 的结的结合能分别为合能分别为111.95MeV，127.6MeV，131.76MeV。4、设有一铝靶，用、设有一铝靶，用15MeV的快中子进行反应，的快中子进行反应，（n,）,已知入射中子束中有已知入射中子束中有6.710-4的中子引起了核反应，该靶物质密度为的中子引起了核反应，该靶物质密度为2.7g/cm3,箔的厚度为箔的厚度为10m，求中子的反应截面。，求中子的反应截面。57